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🌇前言
文件操作是 基础IO 学习的第一步，我们在 C语言 进阶中，就已经学习了文件相关操作，比如 fopen 和 fclose，语言层面只要会用就行，但对于系统学习者来说，还要清楚这些函数是如何与硬件进行交互的
调用库函数进行文件操作时的流程
🏙️正文
1、文件理解
先来通过几个问题来理解文件
文件操作的本质是什么？
- 语言层面的文件操作就是直接使用库函数，而事实上，文件操作是系统层面的问题，就像进程管理一样，系统也会通过
先描述，再组织的方式对文件进行管理、操作
只有 C/C++ 这种偏底层的语言才有文件操作吗？
- 并不是，其他语言也支持文件操作，如
Java；在进行文件操作时，不同语言使用方法可能有所不同，但 本质上都是在调用系统级接口进行操作
文件由什么构成？一般文件放在哪里？
- 文件 =
内容+属性 - 未使用的文件位于
磁盘，而使用中的文件属性会被加载至内存中 - 本文讨论的是已被加载至内存文件的相关操作
系统是如何区分文件的？
- 文件可以同时被多次使用，
OS为了管理好文件，会像使用task_struct管理进程一样，通过struct file存储文件属性进行管理 struct file结构体包含了文件的各种属性和链接关系
文件是由谁打开的？
- 由用户创建进程，调用系统级接口，再交给
OS完成文件打开任务，文件写入与读取时也是同理
总结：真正的文件操作需要结合系统底层学习，而我们之前的文件操作都是 进程 与 OS 间的交互
2、C语言文件操作
在学习 系统级文件操作 前，需要先回顾一下 C语言 中的文件操作
2.1、文件打开
FILE * fopen ( const char * filename, const char * mode );
通过文件名以指定打开方式，打开文件
打开方式(参数2)
w只写，如果文件不存在，会新建，文件写入前，会先清空内容a追加，在文件末尾，对文件进行追加写入，追加前不会清空内容r只读，打开已存在的文件进行读取，若文件不存在，会打开失败w+、a+、r+读写兼具，区别在于是否会新建文件，只有r+不会新建
//打开文件进行操作
//在当前目录中打开文件 log.txt
//注意：同一个文件，可以同时多次打开
FILE* fp1 = fopen("log.txt", "w"); //只读
FILE* fp2 = fopen("log.txt", "a"); //追加
FILE* fp3 = fopen("log.txt", "r"); //只写，文件不存在会打开失败
FILE* fp4 = fopen("log.txt", "w+"); //可读可写
FILE* fp5 = fopen("log.txt", "a+"); //可读可追加
FILE* fp6 = fopen("log.txt", "r+"); //可读可写，文件不存在会打开失败
若文件打开失败，会返回空 NULL，可以在打开后判断是否成功
注意：若参数1直接使用文件名，则此文件需要位于当前程序目录下，如果想指定目录存放，可以使用绝对路径
2.2、文件关闭
文件打开并使用后需要关闭，就像动态内存申请后需要释放一样
int fclose ( FILE * stream );
关闭已打开文件，只需通过 FILE* 指针进行操作即可
//对上面打开的文件进行关闭
//无论以哪种方式打开，关闭方法都一样
fclose(fp1);
fclose(fp2);
fclose(fp3);
fclose(fp4);
fclose(fp5);
fclose(fp6);
注意：只能对已打开的文件进行关闭，若文件不存在，会报错
2.3、文件写入
C语言 对于文件写入有这几种方式：fputc、fputs、fwrite、fprintf 和 snprintf
int fputc ( int character, FILE * stream );
int fputs ( const char * str, FILE * stream );
size_t fwrite ( const void * ptr, size_t size, size_t count, FILE * stream );
int snprintf ( char * s, size_t n, const char * format, ... );
前几种方式比较简单，无非就是 逐字符写入、逐行写入 与 格式化写入，这里主要来介绍一下 snprintf
snprintf 是 sprintf 的优化版，增加了读取字符长度控制，更加安全
- 参数1：缓冲区，常写做
buffer数组 - 参数2：缓冲区的大小
- 参数3：格式化输入，比如
"%d\n", 10
使用 snprintf 函数写入数据至缓冲区后，可以再次通过 fputs 函数，将缓冲区中的数据真正写入文件中
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define LOG "log.txt" //日志文件
#define SIZE 32
int main()
{
FILE* fp = fopen(LOG, "w");
if(!fp)
{
perror("fopen file fail!"); //报错
exit(-1); //终止进程
}
char buffer[SIZE]; //缓冲区
int cnt = 5;
while(cnt--)
{
snprintf(buffer, SIZE, "%s\n", "Hello File!"); //写入数据至缓冲区
fputs(buffer, fp); //将缓冲区中的内容写入文件中
}
fclose(fp);
fp = NULL;
return 0;
}
得益于格式化控制，可以灵活地向日志文件中写入内容
2.4、文件读取
读取与写入配套出现
int fgetc ( FILE * stream );
char * fgets ( char * str, int num, FILE * stream );
size_t fread ( void * ptr, size_t size, size_t count, FILE * stream );
int fscanf ( FILE * stream, const char * format, ... );
int sscanf ( const char * s, const char * format, ...);
可以使用 sscanf 按照一定的规则格式化读取字符串 s
#include <stdio.h>
int main()
{
char s[] = "2023:3:24";
int arr[3];
char* buffer[4];
sscanf(s, "%d:%d:%d", arr, arr + 1, arr + 2);
printf("%d\n%d\n%d\n", arr[0], arr[1], arr[2]);
return 0;
}
这个函数多用于 序列化与反序列化操作
关于更多 C语言 文件操作的知识 《C语言进阶——文件操作》
3、系统级文件操作
回顾完 C语言 文件相关操作后，就可以开始系统级文件操作的学习了
3.1、打开 open
首先学习如何直接调用调用系统级函数 open 打开文件
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode); //可以修改权限
3.1.1、函数理解
返回值：不同于 FILE*，系统级文件打开函数返回类型为 int，即 文件描述符（ file descriptor ），文件打开失败返回 -1
文件描述符很重要，将在下篇文章 《重定向本质》 中讲解
参数1：pathname 待操作文件名，和 fopen 一样
参数2：flags 打开选项，open 使用的标记位的方式传递选项信号，用一个 int 至多可以表示 32 个选项
参数3：mode 权限设置，文件起始权限为 0666
主要就是参数2有点复杂，使用了 位图 的方式进行多参数传递
可以利用这个特性，写一个关于位图的小demo
3.1.2、位图demo
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define ONE 0x1
#define TWO 0x2
#define THREE 0x4
void Test(int flags)
{
//模拟实现三种选项传递
if(flags & ONE)
printf("This is one\n");
if(flags & TWO)
printf("This is two\n");
if(flags & THREE)
printf("This is three\n");
}
int main()
{
Test(ONE | TWO | THREE);
printf("-----------------------------------\n");
Test(ONE); //位图使得选项传递更加灵活
return 0;
}
函数 open 中的参数2正是位图，其参数有很多个，这里列举部分
O_RDONLY //只读
O_WRONLY //只写
O_APPEND //追加
O_CREAT //新建
O_TRUNC //清空
实际使用时，可以按照位图demo中的方式进行参数传递
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h> //write 的头文件
#define LOG "log.txt" //日志文件
#define SIZE 32
int main()
{
//三种参数组合，就构成了 fopen 中的 w
int fd = open(LOG, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666); //权限最好设置
if(fd == -1)
{
perror("open file fail1");
exit(-1);
}
const char* ps = "Hello System Call!\n";
int cnt = 5;
while(cnt--)
write(fd, ps, strlen(ps)); //不能将 '\0' 写入文件中
close(fd);
return 0;
}
注意：
- 假若文件不存在，
open中的参数3最好进行设置，否则创建出来的文件权限为随机值 - 继承环境变量表后，
umask默认为0002，当然也可以自定义 - 通过系统级函数
write写入字符串时，不要刻意加上'\0'，因为对于系统来说，这也只是一个普通的字符（'\0'作为字符串结尾只是C语言的规定）
C语言 中的 fopen 调用 open 函数，其中的选项对应关系如下
w->O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNCa->O_WRONLY | O_CREAT | O_APPENDr->O_RDONLY- ……
所以只要我们想，使用 open 时，也能做到 只读方式 打开 不存在的文件，也不会报错，加个 O_CREAT 参数即可
3.2、关闭 close
close 函数根据文件描述符关闭文件
#include <unistd.h>
int close(int fildes);
Linux 下一切皆文件
包括这三个标准流： stdin、stdout、stderr
它们的文件描述符依次为：0、1、2，也可以通过 close(1) 的方式，关闭标准流
3.3、写入 write
write 函数的返回值类型有点特殊，但使用方法与 fwrite 基本一致
#include <unistd.h>
ssize_t write(int fildes, const void *buf, size_t nbyte);
向文件中写入字符串，前面已经演示过了~
3.4、读取 read
read 读取很淳朴，只支持指定字符数读取
#include <unistd.h>
ssize_t read(int fildes, void *buf, size_t nbyte);
文件读取时，同样是借助缓冲区进行读取
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h> //write 的头文件
#define LOG "log.txt" //日志文件
#define SIZE 1024
int main()
{
int fd = open("test.c", O_RDONLY);
if(fd == -1)
{
perror("open file fail1");
exit(-1);
}
int n = 50; //读取50个字符
char buffer[SIZE];
int pos = 0;
while(n--)
{
read(fd, (char*)buffer + pos, 1);
pos++;
}
printf("%s\n", buffer);
close(fd);
return 0;
}
读取 test.c 源文件中的 100 个字符
这些系统级函数成功使用的前提是文件描述符合法
4、小结
最后再来简单小结一下文件的本质（结合系统级函数）
4.1、高级语言文件操作的本质
只要是在 Linux 平台中编写的程序，无论是 Java、Python、PHP 还是其他语言，在进行文件相关操作时，其文件操作函数都有对系统级函数进行封装，也就是说，要想与硬件（磁盘）打交道，必须经过 系统调用 -> OS -> 驱动 这条路线，无法直接与硬件进行交互
🌆总结
以上就是基础IO【文件理解与操作】的全部内容了，本文主要是学习系统级文件操作函数，关于文件操作底层实现及重定向原理，将会在下篇文章讲解
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